紫杉醇(Paclitaxel)———從大自然中發現的神奇抗癌藥物

 起源與發現：

    人類在對抗癌症的歷史上，有過許多重要性的突破，也有過不少挫折，在1950年代，人們在一連串的挫折後，轉向投入從自然界中找尋可以有效治癒或抑制癌症發生的 “ 靈藥 ” 。

    1958年，美國農業部與國立癌症研究所開始合作進行一項天然產物篩選計畫， 目標是採集並篩選35,000種植物並且從中尋找具有抗癌活性的藥物。在1962年，植物學家巴克萊(Arthur S. Barclay)和三位研究生在Gifford Pinchot National Forest中，他們發現了太平洋紅豆杉(Taxus brevifolia Nutt.)，自此也展開了一個傳奇性的新藥開發歷程。

    巴克萊與研究生採集了一些樹枝、樹葉和果實作樣本，寄回國立癌症研究所的研究室，發現萃取物具有細胞毒性，也就是有潛在的抗癌特性，1966年，這些來自美國西北部山林的樹木由分餾與離析實驗室的首席化學家沃爾(Monroe E．Wall)接手分析。沃爾和同事瓦尼(Dr. Mansukh C. Wani)將太平洋紅豆杉樹皮磨成很細的粉末，再以乙醇來萃取出其中的有效成份，終於成功完成植物天然成份的分離提取。
    原始萃取物經純化後，細胞毒性提高了l,000倍，沃爾和瓦尼最後分離出了一種白色晶體的活性成份，經鑑定，該成份分子式為C47H51NO4，分子量839。沃爾和瓦尼在當年的美國化學年會上宣布了此一成果，但由於分子結構複雜，數年後才終於成功解析了這個複雜的分子結構，並將它命名為「太平洋紫杉醇」 (Paclitaxel)。 

紫杉醇基本簡介：

1. 名稱（俗名）：Taxol

2. IUPAC 命名：(2α,4α,5β,7β,10β,13α)-4,10-Bis(acetyloxy)-13-{[(2R,3S)-3-(benzoylamino)-2-hydroxy-3-phenylpropanoyl]oxy}-1,7-dihydroxy-9-oxo-5,20-epoxytax-11-en-2-yl benzoate

3. Formula: C₄₇H₅₁NO₁₄

4. Molar Mass: 853.906g/mol

5.    具有11個立體中心

6.    主要骨架為17碳的四環結構且分子內含有三個苯環

7.    不溶於水，易溶於丙酮、氯仿、乙醚等有機溶劑

紫杉醇的醫療應用：

    研究以及臨床試驗發現太平洋紫杉醇對晚期乳癌的患者具有相當的療效；而且在治療未接受過化療的晚期卵巢癌患者時，使用太平洋紫杉醇也有效延長患者的生存時間，因此太平洋紫杉醇與阿樂癌注射液(傳統上治療癌症的標準藥劑)的合併使用成為晚期卵巢癌的第一線治療標準。由於太平洋紫杉醇的治療效果非常好，可以提煉出太平洋紫杉醇的太平洋紅豆杉曾經被譽為「二十世紀對人類貢獻最大的植物」。

    近年來，醫學界更進一步研究紫杉醇成份的作用機制，發現其主要作用機制是在於它具有能夠影響細胞內微管(microtubules)系統的獨特能力．一般細胞在進行有絲分裂時會需要大量的微管，也就是在細胞分裂過程中組成紡錘體的線狀構造，這個構造將姐妹染色體(Sister Chromatid)當染色體移動向兩側拉開至兩個子細胞後，微管系統便分解消失，完成一次正常的細胞分裂。太平洋紫杉醇的功能在於阻止微管系統的分解過程，讓細胞停留在細胞週期的G2-M Phase，導致細胞進行Apoptosis而凋亡，也就是說，太平洋紫杉醇可以被視為一種有絲分裂的抑制劑。特別的是，太平洋紫杉醇與其他影響微管系統的抗癌製劑如秋水仙素及長春花生物鹼類(vinca alkaloids)藥物之作用相反。紫杉醇的作用機制主要在於穩定微管並抑制其分解，讓微管不能動態的移動進行正常細胞週期；而植物鹼類則是抑制微小管的聚合作用，使紡錘體無法形成，造成有絲分裂停止。

    早期太平洋紫杉醇常造成部份患者急性過敏性休克的副作用，此過敏反應現已可用類固醇、抗組織胺有效預防。副作用的來源並非紫杉醇本身，而是來自於製劑添加的助溶劑。由於紫杉醇不溶於水，巴斯夫化學以環氧乙烷和蓖麻油反應成Cremophor EL，以其與乙醇作為助溶劑才克服水溶性的問題。然而如此一來，Cremophor 的毒性也導致紫杉醇的給藥劑量相對 受限，因此病患在接受此種劑型治療前須預先服用類固醇藥物，以減輕上述相關副作用。
副作用：

凡是藥物無可避免的都有些許副作用，而太平洋紫杉醇最嚴重的副作用主要是患者使用後，會產生骨髓抑制的現象，導致中性白血球(Neutrophil)的含量過低而併發感染、發燒等現象，不過好消息是根據臨床使用的經驗，大多數病患的白血球會在3週內恢復，同時在搭配化療前的預防用藥下，可以縮減給藥的時間，大幅減輕骨髓抑制的程度。另外，因為助溶劑Cremophor EL會將PVC中的肝毒性塑化劑DEHP(di(2-ethyl-hexyl)phthalate)溶出。所以要特別注意紫杉醇溶液不要與PVC裝置、導管或器械接觸，而應使用玻璃容器來配製，避免患者健康受到損害．

Paclitaxel的半合成(Semisynthesis)介紹Ｉ:

    Paclitaxel隨然被證實有治療癌症的效果，但是因為提煉出Paclitaxel的太平洋紫杉非常稀有，導致這個藥物難以被量產，因此有機化學家們紛紛展開了合成法的研究，也有了許多豐碩的成果，以下就介紹Paclitaxel由10-DAB的半合成法，也是這個方法，使得Paclitaxel能夠之後背光飯的應用在醫療上．

    紅豆杉相對於太平洋紫杉，是更常見的植物，而紅豆杉的萃取物中除了含有少量紫杉醇，亦有濃度甚高的“10-Deacetyl BaccatinIII”(10-DAB)，其與紫杉醇的主結構相當類似，因此研究人員利用它作為半合成法的起始物(見下圖)．

    圖(2)為10-Deacetyl BaccatinIII、圖(3)為10-Deacetyl BaccatinIII derivative，由(2)到(3)的反應為(2)和 Ethyl benzoacetate 進行Transesterification,

並且開啟了接下來的反應 ．

    圖(3)是關鍵的中間產物，在室溫下加入O-benzylhydroxylamine hydrochloride （in pyridine），會得到如圖(4)的一個 oxime ether ．

之後，由圖(4)到圖(5)的過程，是一個insertion reaction，形成了一個Diazo compound，這一步的步驟並不容易，根據此合成法作者所述，他參考了由Shinada and Ohfune利用α-diazoketone和carboxylic acid在Cu(acac)催化的情況下合成α-acyloxyketone的做法，在室溫下使用了TsN3/Et3N/cat. DBU (1.1/1.3/0.3 equiv. each) in acetonitrile的試劑組合，得到有imine構造如圖(5)的產物，而其中的碳氮雙鍵、碳氧雙鍵，則有穩定化合物的效果，因此在下一個步驟中．反應溫度提高到了60°C並且得到了圖(6)的產物．因為圖(6)產物是由4個Diastereomers(兩個E/Z isomers和α 、β-OAc)所組成，為了克服這個問題，圖(6)產物接著進行bis(dibutylchlorotin)oxide-catalyzed transesterification，得到兩種有不同光譜特性的醇(7a、7b)．

   

Paclitaxel的半合成(Semisynthesis)介紹ＩＩ:

    將圖(7a)的醇在室溫下加入HCO₂NH₄/cat. Pd/C (10%)/HOAc的試劑組合，使得圖(7a)的10-Cbz保護基脫落以及造成Oxime的reduction，得到圖(8)產物，並且將它以benzamide的方式進行保護得到圖(9)．隨後圖(9)產物在0°C加入DEAD/PPh3 處理得到圖(10)產物，一個oxazoline ．進行Acetylation  (Ac2O/py/cat. DMAP) 和acid-mediated hydrolysis 便可以得到最終產物paclitaxel．

Paclitaxel全合成(Total Synthesis)發展時間表：

    一直到1994年，Robert A. Holton 完成了紫衫醇首次的全合成，化學家才首次完成Paclitaxel的全合成法，但是研究的腳步並沒有因此停滯，隨後的二十年，都有科學家陸陸續續發表不同的全合成法，可看出科學界以及醫療界對於Paclitaxel這個化合物作為抗癌藥物的潛力懷抱著許多期待，有趣的是，這些不同的合成法中，有許多是不同的藥廠之間彼此競爭下的結果，一直到了今日，在免疫療法和基因層面的治療當道的情況下，以Paclitaxel為首的化學治療藥物仍舊是人類在對抗癌症這個頭號殺手的戰役中重要的一員大將．

未來展望：

    癌症的治療是人類面臨的一個重要挑戰，目前研究出來可行的方法有手術、化學治療、免疫療法、或是基因治療等方式，這些都是我們對抗癌症的重要武器．

    我相信Paclitaxel在未來仍會扮演十分重要的角色，未來的目標可以往提高分子作用於不同細胞微管的專一性發展，若是能夠讓分子辨識癌細胞微管與正常細胞表現的不同之處，則能更有效率的抑制癌細胞的生長，並且減輕對人體的副作用．另外，由於現階段所使用的Paclitaxel助溶劑，則是因為具有一定毒性，會使得人體不適，也是主要的副作用出現原因，這點也是未來需要加強的部分．

    Paclitaxel可說是大自然賜予人類的無價之寶；它的發現雖然是一連串的好運帶來的，但在歷經無數科學家的努力後終於成為重要的抗癌藥物之一。紫杉醇藥物的成功問世絕非偶然，翻開紫杉醇抗癌藥的開發史，我們可以看到人類在科學上投注的熱情和努力，像是灌溉播種，最後逐漸開花結果改善了你我的生活．有機化學在醫療上的應用由Paclitaxel的例子說明再好不過，無數個不同領域的專家為了人類的健康福祉，一起努力解開這個分子的秘密，無論是作用機制及臨床應用，亦或是合成製造，都是由前人累積後人拓展的有機化學淵博的基礎知識得來的．

Reference:

•A semisynthesis of paclitaxel via a 10-deacetylbaccatin III derivative bearing a β-keto ester appendage

     Tetrahedron Letters, 2000, pp. 243-246

•Regioselective protection of 10-deacetylbaccatin III and semi-synthesis of paclitaxel

     Chinese Chemical Letters,2008,pp.130-132

uhttps://en.wikipedia.org/wiki/Paclitaxel

uhttp://www.taifer.com.tw/taifer/tf/053003/46.html